油田生產(chǎn)中壓裂防砂技術(shù)的應(yīng)用

袁彬

[摘要]在油氣開(kāi)采過(guò)程中，必須采用有效的防砂措施。有必要研究一種防砂效果好，防砂有效期長(zhǎng)，還不影響油井產(chǎn)能的防砂方法，壓裂與防砂相結(jié)合的復(fù)合技術(shù)，稱為壓裂防砂。

[關(guān)鍵詞]防砂；出砂機(jī)理；壓裂；壓裂防砂

1油氣井出砂機(jī)理與危害

從巖石力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，油層出砂有兩個(gè)機(jī)理：即剪切破壞和拉伸破壞機(jī)理。除了上述兩個(gè)機(jī)理外，還包括微粒運(yùn)移出砂機(jī)理。

1.1剪切破壞機(jī)理

由于井筒及射孔孔眼附近巖石所受周向應(yīng)力及徑向應(yīng)力差過(guò)大，造成巖石剪切破壞，引起地層出砂。

1.2拉伸破壞機(jī)理

開(kāi)采時(shí)，在井筒周圍應(yīng)力梯度及流體的摩擦攜帶作用下，巖石承受拉伸應(yīng)力當(dāng)此應(yīng)力超過(guò)巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖石發(fā)生拉伸破壞。

1.3微粒運(yùn)移出砂機(jī)理

在生產(chǎn)時(shí)，生產(chǎn)壓差或產(chǎn)量過(guò)大，作用在地層顆粒上的拽曳力過(guò)大，地層微粒就會(huì)移動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致井底周圍地層滲透率降低，從而增大流體的拽曳力，并可能誘發(fā)固相顆粒的產(chǎn)出。

出砂的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）減產(chǎn)或停止作業(yè)：（2）地面和井下設(shè)備磨蝕；（3）套管損壞、油井報(bào)廢；（4）生產(chǎn)時(shí)間的損失：（5）油氣井的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)損失。

2壓裂防砂機(jī)理

2.1填充砂形成由粗到細(xì)的砂拱

填充砂的粒徑通過(guò)地層砂的粒徑進(jìn)行選擇，將流體攜帶的砂粒阻擋于填充砂層之外，通過(guò)自然選擇在填充砂層外形成一個(gè)由粗到細(xì)的砂拱，有良好的流通能力。

2.2壓裂后地層流體的流動(dòng)特征

油井壓裂后，流體沿著具有高導(dǎo)流能力的裂縫流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)阻力非常小，因此地層流體流人井底不再遵循徑向流動(dòng)模式，而是形成雙線性流動(dòng)模式，先是地層內(nèi)部向裂縫面流動(dòng)時(shí)的線性流，再是流體沿裂縫向井筒流動(dòng)時(shí)的線性流。

2.3水力壓裂可以避免和緩解地層巖石的破壞

具有高導(dǎo)流能力的水力裂縫將地層流體的流態(tài)由原來(lái)的徑向流動(dòng)變成雙線性流，在一定程度上降低了生產(chǎn)壓差并大幅度降低了流體壓力梯度。從而緩解或避免了巖石骨架的破壞，也就緩解了出砂趨勢(shì)和出砂程度。

2.4裂縫可以降低流體沖涮攜帶砂粒的能力

因裂縫而產(chǎn)生的雙線性流動(dòng)模式及巨大的裂縫面積可以發(fā)揮良好的分流作用，使壓后流速大幅度降低，從而降低了對(duì)地層微粒的沖刷和攜帶作用。

3壓裂填充砂的選擇

3.1填充砂尺寸的確定

在壓裂充填設(shè)計(jì)時(shí)，必須正確選擇填充砂尺寸。若填充砂尺寸過(guò)大，地層砂可以自由通過(guò)填充砂孔隙，雖然裂縫滲透率和充填層的滲透率保持不變，但沒(méi)有防砂效果。若填充砂尺寸過(guò)小，填充砂能完全阻止地層砂侵入填充層，雖然可完全防止地層砂隨液體產(chǎn)出，但是整個(gè)填充層的滲透率很低，使整個(gè)井的產(chǎn)能變小。

填充砂尺寸需根據(jù)地層砂的尺寸來(lái)確定。當(dāng)填充砂直徑略小于地層砂直徑，地層砂在填充砂與地層砂接觸面上形成穩(wěn)定的砂橋，阻止了地層砂在充填層中的運(yùn)移。

3.2填充砂種類的選擇

目前世界上控制支撐劑返排技術(shù)中最成熟、應(yīng)用也最廣泛的樹(shù)脂涂敷砂封口技術(shù)。樹(shù)脂涂敷砂是在壓裂砂顆粒表面涂敷一層薄而有一定韌性的樹(shù)脂層，該涂層可以將原支撐劑改變?yōu)橛幸欢娣e的接觸。當(dāng)該支撐劑進(jìn)入裂縫后，由于溫度影響，樹(shù)脂層首先軟化，然后在固化劑的作用下發(fā)生聚合反應(yīng)而固化。從而使砂粒之間由于樹(shù)脂的聚合而固結(jié)在一起，將原來(lái)砂粒之間點(diǎn)與點(diǎn)接觸變成小面積接觸，降低了作用在砂粒上的負(fù)荷，增加了砂粒的抗破碎能力。同時(shí)，固結(jié)在一起的砂粒形成帶有滲透率的網(wǎng)狀濾段，阻止壓裂砂外吐。

使用熱塑性酚醛樹(shù)脂砂進(jìn)行的壓裂防砂平均有效期在180天以上，很好的避免了壓裂砂回吐造成的出砂，具有良好的應(yīng)用效果。

4攜砂液的確定

防砂攜砂液配方的確定是地質(zhì)特點(diǎn)、施工因素決定的。既要將樹(shù)脂順利攜入地層，同時(shí)也要考慮攜砂液進(jìn)入地層后所引起的粘土膨脹，乳化堵塞和賈敏效應(yīng)問(wèn)題，根據(jù)這些要求，攜砂液配方應(yīng)體現(xiàn)五大作用，即具有增粘作用、防膨作用、固化作用、助排作用和破乳作用。這些體系在高溫時(shí)具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性，只有在井底溫度大于148℃時(shí)才能形成。有機(jī)交聯(lián)液的穩(wěn)定性使其具有極強(qiáng)的支撐劑懸浮能力。

5壓裂防砂施工工藝的優(yōu)化

根據(jù)壓裂防砂的基本原理，結(jié)合水力壓裂的基本要求，確定壓裂防砂的基本原則為：（1）設(shè)計(jì)目標(biāo)為形成短寬裂縫；（2）壓裂液泵注程序特點(diǎn)是前置液少，初期砂比低，最終砂比盡量高；（3）壓裂液濾失能力較強(qiáng)；（4）支撐劑的選擇原則是使導(dǎo)流能力盡量大。在以上基本原則的前提下，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際情況，對(duì)壓裂防砂施工中出現(xiàn)的特殊情況作出優(yōu)化。

6壓裂防砂的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

6.1低溫地層井的應(yīng)用

當(dāng)樹(shù)脂預(yù)包砂進(jìn)入裂縫后，由于溫度影響，樹(shù)脂層首先軟化，然后在固化劑的作用下發(fā)生聚合反應(yīng)而固化。從而使砂粒之間由于樹(shù)脂的聚合而固結(jié)在一起，起到防砂的作用。樹(shù)脂預(yù)包砂的固化溫度為40℃，因此當(dāng)?shù)貙訙囟鹊陀?0℃時(shí)，樹(shù)脂在地層中就不能固化，也就起不到防砂的效果。以前壓裂防砂在選井時(shí)往往都是避開(kāi)低溫地層井。為使壓裂防砂能夠應(yīng)用到低溫地層井，樹(shù)脂砂在低溫地層中也能起到防砂的的效果，就必須采用人工辦法，迫使樹(shù)脂砂在地層中固化。

6.2有套變井的應(yīng)用

對(duì)于某些套管變形的井，常規(guī)的防砂方法很難施工，后期的作業(yè)（大修）費(fèi)用相當(dāng)高，無(wú)形之中就增加了油井的開(kāi)發(fā)成本。填砂完成立即用填砂管柱沖砂至人工井底，并用熱水洗井直到膠結(jié)砂在近井地帶完全固化。這樣就避免了后期的沖鉆砂工藝，避開(kāi)了影響整個(gè)施工過(guò)程的套變因素，確保了壓裂防砂的成功。

7結(jié)論與建議

（1）通過(guò)優(yōu)化完善后壓裂防砂工藝，能夠很好的解決油水井出砂的問(wèn)題，并能起到增產(chǎn)作用，作業(yè)的一次成功率提高。

（2）采用樹(shù)脂涂敷砂作為壓裂防砂的支撐劑，由于支撐劑表面涂敷了樹(shù)脂，這在一定程度上有所降低裂縫的導(dǎo)流能力。并且，樹(shù)脂涂敷砂較其他常用的支撐劑成本略微偏高，樹(shù)脂涂敷砂防砂井受固化強(qiáng)度的限制。

（3）若能將增油效果很好的液態(tài)二氧化碳作為攜砂液，防砂與增油效果將得到提高。有待于進(jìn)一步研究。